Тема 2. Сили взаємодії між частинками - з’єднуюче начало всесвіту

Ядерна ста Електричні сичи Сили слабкої взаємодії Гравітаційна сича

Література:

1. Йосип Клечек, Петр Якеш Вселенная и Земля (пер. на руск. язык Л. Белошевская, Л. Ленская ).- Прага.: Артия, 1986 — 319с.

2. Советский энциклопедический словарь/Гл. ред. А.М.Прохоров.-З-е изд. -М.: Сов. энциклопедия. 1985. - 160с.

3. Элементарный учебник физики/Под ред. акад. Г.С. Ланд- сберга.-7-е изд.-М., 1971-Том 3-ий-640 с.

В даний час людство достатньою мірою вивчило різноманітні сили, що беруть участь у формуванні різних форм матерії та її складових. Важливе значення мають чотири сили: ядерна взає­модія; електричні зв'язки; слабка взаємодія; гравітаційна сила.

Ядерна сила - найсильніша з усіх видів взаємодії. Але радіус її дії.розповсюджується на величину одного фермі (10 ^ь метра). Джерелом ядерної сили є баріони і мезони (к, щ /я П та ін.). Як­що два протони наблизити на віддаль одного фермі, що дорів­нює їх діаметру, тоді може проявлятись ядерна сила притягу­вання, настільки значна, що перевищить електричну силу від­штовхування. Таким чином, ядерні сили відіграють важливу роль, оскільки зв’язують нуклони в ядра атомів. Саме ці сили забезпечують стійкість ядер. Ця сила спричинила утворення ядер більш складних хімічних елементів із ядер водню. Виник­нення ядер важких елементів, аж до заліза, проходить і зараз у надрах зірок. За рахунок цих процесів у космосі зменшується кі­лькість водню і збільшується кількість ядер важких елементів. Це перетворення отримало назву хімічне старіння космосу.

При виникненні ядер важких елементів із протонів вивільня­ється енергія, що є джерелом випромінювання зірок - потужних

ядерних реакторів. Енергія Сонця утворюється шляхом перетво­рення водню в гелій у його надрах за рахунок ядерної взаємодії.

Електричні зв'язки. Як вже раніше зазначалося, головними ча­стинками у матеріальному Всесвіті є протони і електрони, що мають електричний заряд. Однак й інші елементарні частинки володіють електричним зарядом. Іх заряд може мати тільки два значення: 1.6-10 ⁹ кулона (протон і позитрон) та —1,6-10 ¹⁹ кулона (електрон, антипротон), але маса спокою елементарних частинок при однаковій величині заряду може бути різною. Деякі зарядже­ні частинки (наприклад, електрони) можуть „переходити” з одно- , го тіла на друге. Тоді відбувається електризація предметів: гребі­нця при розчісу ванні, скляної палички при терті та ін.

Електричний заряд елементарних частинок є джерелом елек­тричних сил і електричного поля. Між зарядженими частинками діє електрична сила. При русі заряджених частинок навколо них виникає магнітне поле, в якому діють магнітні сили. Якщо при­скорити чи уповільнити рух електрично зарядженої частинки, то вони починають випромінювати фотони - кванти електромагні­тного поля.

Потік заряджених частинок називають електричним струмом. Електричні сили мають неабияке значення у побудові Всесвіту, особливо речовини. Ці сили утворюють атоми (позитивно заря­джене ядро, навколо якого обертаються негативно заряджені електрони). Атоми з’єднуються в молекули, молекули - в крис­тали. пил, крапельки води, живі організми. У всіх великих тілах (до 500 км) молекули зв'язані, насамперед, електричними сила­ми. Тому їх форма буває неправильною, хоча між молекулами і діє сила гравітаційна, але, оскільки вона надзвичайно мала, то тіла не набу вають округлої форми.

Електрична і породжена нею магнітна сили проявляються в різних видах. Будова електронної оболонки атому; властивості молекул і їх зв’язки в речовині; різні властивості газів, рідин і твердих тіл; прозорість і непрозорість речовини; чуттєві сприй­няття і нервові збудження; робота м’язів і мозку людини, а та­кож інші явища і процеси, що проходять на Землі і в космосі, - усе це наслідки електричного заряду протона і електрона.

Слабка взаємодія, на відміну від ядерної сили, проявляється всередині елементарних частинок (адронів - р, п, к, л^гнуклонів і’ мезонів). Радіус їх взаємодії - 1()'¹⁷ м ( у 100 разів'їменше 1 фер­мі). Оскільки розміри елементарних частинок Ю’^ м, то, ймові-

рно, що слабка взаємодія проходить саме в центрі частинок. Найбільш відомими видами слабкої взаємодії є ті, при яких утворюються нейтрино та антинейтрино.

Приклад: вільний нейтрон, який не зв ’язаний в ядрі, за раху­нок слабкої взаємодії розпадається на три елементарні части­нки: п —* р + є' + у_с. Цей розпад отримав назву /3 -розпад, оскільки раніше електрон називали (3 -частинкою. Час розпаду ~ 10 хв. Деякі радіоактивні ядра випромінюють позитрон (е⁺): р -» п + е⁺ + у_е.

Але це може відбуватись тільки в ядрі, оскільки вільний про­тон сам по собі не може розпадатись, позаяк має малу масу. У ядрі він отримує необхідну (для розпаду) масу і енергію від ін­ших нуклонів. Як приклад, перетворення карбону у бор:

^ПС-*^ПВ + е⁺ + у ,

6 5 е

де 11 - кількість нуклонів у ядрі; 6 - кількість протонів у ву­глецю; 5 - кількість протонів у бору.

Попри всі перетворення, що проходять у космосі, сума еле­ментарних електричних зарядів залишається незмінною.

У виникненні або знищенні електрона чи позитрона завжди беруть участь електронне нейтрино і електронне антинейтрино.

А при появі чи перетворенні мюонів (/і)\ антимюонів ()ґ ) з’являється мюонне нейтрино та мюонне антинейтрино. Як при­клад можна навести розпад піонів:

п -* /.і + уу,

ЛГ⁺ -*//⁺

Обидва види нейтрино та антинейтрино виникають при роз­паді мюонів:

/Г — є" + \У, + у_м ;

М⁺ +у_с+у_/і.

Всі чотири види нейтрино народжуються на Землі, в атмосфері Землі, при розпаді в космічному випромінюванні я-мезонів й мюо­нів, при термоядерних реакціях на Сонці та інших зірках, а також при зустрічі космічного випромінювання з міжзірковим газом.

Отже, при слабкій взаємодії виникає нейтрино та антинейт­рино. Нейтрино поводить себе апатично щодо інших частинок. При своїй появі воно летить у Всесвіті, не звертаючи уваги на зірки, планети, галактики і політ його майже ніколи не закінчу­ється. Але нейтрино дасть можливість досліджувати процеси в центрі Сонця і зірок. Коли будуть зроблені досконалі детектори нейтрино та антинейтрино, то можна буде визначити, скільки є антиречовини, антизірок і антигалактик_у космосі, оскільки зір­ки є джерелом породження нейтрино за рахунок перетворення протонів у нейтрони. Антизірки складаються з р,п,е⁺ і випро­мінюють електронне антинейтрино ( у_с ): р —> п + е~ +у_с.

Фотони, навпаки, ніколи не можуть сказати, звідки вони прилетіли - із зірки чи антизірки, оскільки і зірка, і антизірка випромінюють однакові фотони. Тільки нейтрино і антинейтри­но в змозі допомогти нам визначити, зірка це чи антизірка.

Гравітаційна сила діє між всіма частинками та античастин­ками. В умовах мікросвіту величина цієї сили надзвичайно мала (~10^4<і менша від ядерної сили). Ця сила не бере участі в утво­ренні ядер атомів, молекул, порід і т.д. Вона проявляє себе в ті­лах, розміри яких > 500 км, тобто тих матеріальних об’єктів, які складаються з 10^4(> елементарних частинок. Сила гравітації при­тягує всі частинки тіла одна до одної - це, так звана, сила влас­ного тяжіння. За рахунок цього, тіла набувають округлої фор­ми, оскільки сила гравітації перевищує електричну силу криста­лів. Тверда матерія, неначе, набуває властивостей пластичності.

На Землі цю силу ми називаємо земним тяжінням. Кожний нуклон Землі (10^м) притягує наше тіло (~10²⁴) - разом це 10^ЖІ слабких сил.

Прояви гравітації на Землі: вітер: дощ: процеси горіння; гео­тропізм рослин тощо.

Для космосу це найголовніша сила. Вона розігріла народжені зірки, надала округлої форми космічним тілам, зумовила рух тіл по орбітах і т.д. Як відомо, сила тяжіння (за Ньютоном) прямо пропорційна добуткові мас тіл й обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Вона розраховується за формулою:

г~

У теорії відносності гравітація пояснюється як викривлення простору. Земля має малу масу і викривлення простору навкруг неї незначне. Для колапсуючих зірок (зі значною щільністю) кривизна простору настільки велика, що для її розрахунку кори­стуються не законом Ньютона, а теорією відносності Ейнштей­на. Вона показує залежність кривизни простору (простір — час) від густини колапсуючих зірок. Гравітація сповільнює розши­рення Всесвіту. Вона, мабуть, призведе до стискання Всесвіту, що довершиться Великим колапсом. При високих температурах і тисках речовина розпадається до елементарних частинок. Зага­лом, слід зазначити, що кількості енергії вищеназваних сил вза­ємодії співвідносяться таким чином: ядерна: електромагнітна: слабка взаємодія: гравітаційна = 10²:1:10 '“:10³⁶.

Підсумок: Слабка взаємодія призводить до розпаду елемен­тарних частинок (радіус дії 10 ‘ м):ядерна сича -спричинює утворення ядер (10 \ч); електрична сила - створення атомів, молекул і пг.д. (від 10 ¹⁰ до 10^4<\ або тіла з діаметром до 500 км); гравітаційна сила - є переважаючою у космічних тілах, розміри яких >500 км, тау побудові галактик, туманностей тощо.

Чернега Петро Іванович Основи фізики Землі

Конспект лекцій

Відповідальний за випуск Круль В.II. Літературний редактор Колодій О.В. Комп’ютерна верстка Чобан А.Ф.

Свідоцтво про державну реєстрацію ДК №891 від 08.04.2002 р. Підписано до друку 28.12.2006. Формат 60x84/16.

Папір офсетний. Друк офсетний. Умов. друк. арк. 1,09. Обл.-вид. арк. 1.18. Зам. 85. Тираж 100.

Друкарня видавництва “Рута” Чернівецького національного університету 58012, Чернівці, вул. Коцюбинського